《电子技术应用》

一种小电容器电压应力的准Z源AC/AC变换器

2017年电子技术应用第5期 作者:房绪鹏,马伯龙,赵 珂,赵 扬,闫 鹏
2017/6/27 11:43:00

房绪鹏,马伯龙,赵  珂,赵  扬,闫  鹏

(山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东 青岛266590)


    摘  要: 为了克服传统AC/AC变换器的缺陷,设计了一种小电容电压应力的AC/AC变换器,分析了电路的拓扑结构和工作原理,拓扑结构是由两个串联准Z源网络和单相LC滤波器构成,采用脉冲宽度调制法(PWM)对电路的占空比进行控制,从而改变输出电压。采用MATLAB/Simulink对电路仿真,最后以TMS320F2812DA为控制核心搭建出实验电路,仿真和实验结果共同验证了电路拓扑理论分析的正确性和可靠性。

    关键词: 准Z源;AC/AC;PWM;电容电压;升降压

    中图分类号: TM46    

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.037


    中文引用格式: 房绪鹏,马伯龙,赵珂,等. 一种小电容器电压应力的准Z源AC/AC变换器[J].电子技术应用,2017,43(5):151-154,158.

    英文引用格式: Fang Xupeng,Ma Bolong,Zhao Ke,et al. A quasi Z source AC/AC converter with voltage stress of a small capacitor[J].Application of Electronic Technique,2017,43(5):151-154,158.

0 引言

    AC/AC变换技术是应用电力电子器件,将一种交流电能变换成另一种交流电能的变流技术,广泛应用于交流电压变换的各个方面[1]。目前主要有带直流环节的间接型、采用高频交流环节的直接型以及矩阵变换型等类型电路[2]。直接型电路主要有Buck、Boost、Cuk变换器等,这类变换器的缺陷主要有单一的升压或降压特性、开关器件导通比大、器件发热、纹波电流大、结构复杂等[3,4]。近年来Z源变流器成为众多学者研究的热点问题,文献[5]提出了Z源变换器,Z源AC/AC变换器源于传统Z源变换器,是一种基于X型LC网络的直接型交流变换装置[6],该变换器克服了传统交流变换器单一的升压或降压特性,既可以是电压型也可以是电流型,该Z源网络允许桥路直通或开路,大大提高了电路的可靠性和安全性。该变换器具有输出电压调节范围大,升降压以及电压的反向或同相的特点。Z源网络可以降低冲击电流和改善谐波含量,电路的可靠性大大提高[7-9]。基于阻抗源思想,文献[10]提出了准阻抗源网络的概念,其独特的电路结构和优良的电路特性引起了国内外学者的广泛关注,文献[11]是在准Z源的拓扑的基础上设计一种AC/AC变换器,拓扑结构不仅可以提高升压比,还可以降低电容器电压,但是电容器两端的电压依然偏高。

    为了克服以上缺陷,本文设计了一种新的AC/AC变换器电路拓扑,分析其电路结构、工作原理,并用仿真和实验验证了理论分析的正确性。

1 拓扑结构与工作原理

    小电容电压AC/AC变换器电路拓扑由交流电Ui源、准Z源串联型网络、滤波电容电感(Cf、Lf)和负载R组成,其中准Z源串联型网络由两个准Z源网络串联而成,电路中双向开关管S由全控型器件IGBT模块面对面串联组成,它可以使准Z源串联型网络的电感电流反向流动,从而使变换器对交流电压构成一个回路,小电容器电压应力的准Z源AC/AC电路拓扑如图1所示。

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    上图AC/AC电路用严格互补的PWM脉冲作为控制信号[12],双向开关S2和S3同步通断且与S1互补工作。由于全控型开关的开关频率远远高于电源频率,所以在一个开关周期内输入可以近似看成直流,电感在一个电源周期内能量为零[13],一个周期内小电容应力变换器根据开关器件的关断分为两种工作状态,由于C1=C2=C3=C4=C;L1=L2=L3=L4=L。则准 Z源网络具有对称性,由对称和等效电路有:

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    工作状态2如图3,S1关断,S2和S3导通,阻抗源网络和电感Lf是串联关系。电源和准Z源网络给负载和滤波电感Lf充电,网络的电容C1~C4将分别由电感L1~L4充电,根据KVL方程,此时电压关系有:

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    由上面的分析可以看出:准Z源AC/AC电路基本工作状态分为两种,状态1是开关S1导通,S2和S3关断,状态2是开关S1关断,S2和S3导通,这两种状态是这种变换器的两种基本工作模式,一个开关周期中的稳定状态。

2 升压比及各电容器电压关系推导

    在一个周期T内,开关器件的导通占空比为D,则导通时间为DT。关断时间为(1-D)T。变换器的电感在一个周期内伏秒平衡。

    由式(1)(3)(4)可得:

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    从式(11)可知,通过改变占空比电路可以是升压型,也可以是降压型。且升压关系表达式和传统准Z源相同。

    电压增益与占空比关系如图4所示,分析图4可以得出,该类电路有两个工作区。通过控制占空比D,可灵活地升高或降低AC/AC变流器的输出电压Uo,Uo既可与Ui同相位,也可以反相位,这取决于D大小,在同一占空比D的情况下,与传统阻抗源变换器的升降压能力相同。

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3 与传统阻抗源电路电容器电压比较

    本文设计的AC/AC变换器与文献[11]准Z源变换器电容器电压与输入电压关系作比较,用Matlab绘制出两者的同一占空比情况下电容器电压与输入电压UC/Ui关系如图5所示。

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    由图5可以明显得出,在同一占空比D的情况下,本文设计变换器的电容器电压应力明显小于传统阻抗源电路的电容器电压应力,大大改善了电容器电压应力。

4 仿真与实验

    搭建和图1相同的仿真电路,用仿真软件Matlab/Simulink来仿真验证,仿真参数:输入电源峰值电压Um=24 V,L1=L2=L3=L4=40 μH,Cf=100 μF,C1=C2=C3=C4=100 μF,Lf=700 μH,负载R=20 Ω,开关频率20 kHz。仿真给出了D=0.4和D=0.8不同占空比的情况下输出电压、电容器电压和输入电压的关系。仿真波形如图6、图7所示。

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    根据仿真电路搭建样机电路,控制电路采用TMS320F2812产生六路PWM信号,其中两路与另一路严格互补,驱动部分采用落木源KA962D驱动板,主电路全控开关管选用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT,输入交流电源电压有效值16 V(峰值22.63 V),用示波器测得了在D=0.4和D=0.8时候的升压和降压波形如图8和图9所示。

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    升压电路时如图8所示(输入10 V/格,输出20 V/格,电容10 V/格)。

    降压电路时如图9所示(输入10 V/格,输出5 V/格,电容5 V/格)

    实验波形结果验证了理论分析和计算机仿真结果的正确性。

5 结论

    本文设计了一种小电容器电压AC/AC变换器,它是在准Z源拓扑的基础上设计的,主要研究了电路的拓扑结构和工作原理,通过仿真和实验验证了变换器输入输出电压关系,证明了电路可以明显降低电容器电压应力的优点以及系统的稳定性和可靠性。

参考文献

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